ナノ閉じ込め水が固液中間相に入る

水が狭いナノスケールの空洞に閉じ込められると、固体でも液体でもない、中間のどこかの中間段階に入ります。 これは、統計物理学、量子力学、機械学習を使用して、水の特性がそのような小さな空間に閉じ込められたときにどのように変化するかを研究した研究者の国際チームの発見です。 知られているように、このナノ閉じ込め水の圧力-温度相図を分析することにより、研究チームは、それが中間の「ヘキサティック」相を示し、高い伝導性も有することを発見しました。

ナノスケールでの水の特性は、私たちがバルクの水に関連付けるものとは大きく異なる場合があります。 他の異常な特徴の中でも、ナノスケールの水は異常に低い誘電率を持ち、ほとんど摩擦なしに流れ、正方形の氷相で存在できます。

ナノ閉じ込め水の研究には、重要な実世界への応用があります。 私たちの体内の水の多くは、細胞内、膜の間、小さな毛細血管などの狭い空洞内に閉じ込められているとチームリーダーは指摘しています。 ベンカット・カピル、理論化学者および材料科学者 英国ケンブリッジ大学. 同じことが、岩の中に閉じ込められた水やコンクリートに閉じ込められた水にも当てはまります。 したがって、この水の挙動を理解することは、生物学、工学、地質学の中心となる可能性があります。 また、将来の水性ナノデバイスの開発や、ナノフルイディクス、電解質材料、水の淡水化などの用途にも重要になる可能性があります。

近年、研究者は、ナノスケール寸法の人工疎水性キャピラリーを作製しました。 これにより、水分子が通常の水素結合パターンを表示するのに十分なスペースがないほど狭いチャネルを通過する水の特性を測定できるようになりました。

ちょうどXNUMX分子の厚さ

最新の研究では、Kapil と同僚は、水の層がちょうど XNUMX 分子の厚さになるように、XNUMX つのグラフェンのようなシートの間に閉じ込められた水を研究しました。 システム内のすべての電子と原子核の挙動をモデル化することを目的とした原子シミュレーションを使用して、水の圧力-温度状態図を計算しました。 この図は、一方の軸に温度、もう一方の軸に圧力をプロットしたもので、特定の圧力-温度条件での水の最も安定した相を示しています。

「これらのシミュレーションは通常、非常に計算コストがかかるため、このコストを削減するために、統計物理学、量子力学、機械学習に基づく多くの最先端のアプローチを組み合わせました」と Kapil 氏は語ります。 物理学の世界. 「これらの計算上の節約により、さまざまな圧力と温度でシステムを厳密にシミュレートし、最も安定したフェーズを推定することができました。」

研究者は、単層水が、ナノチャネル内で作用する温度と圧力に非常に敏感な、驚くほど多様な相挙動を誇っていることを発見しました。 特定の体制では、2D 閉じ込めでの結晶の融解を説明するいわゆる KTHNY 理論によって予測されるように、固体と液体の中間である「ヘキサティック」相を示します。 この理論により、開発者は 2016年ノーベル物理学賞 2D 固体の相挙動の理解を深めるために。

高い電気伝導率

研究者は、ナノ閉じ込め水が非常に伝導性が高くなり、電気伝導率が電池材料の 10 ～ 1000 倍になることを観察しました。 彼らはまた、分子相では存在しなくなることも発見しました。 「水素原子は、まるで迷路を駆け抜ける子供たちのように、酸素の格子の中をほとんど流体のように動き始めます」とカピルは説明します。 「このような従来の「バルク」超イオン相は、巨大惑星の内部のような極端な条件でのみ安定すると予想されるため、この結果は注目に値します。 マイルドな条件下で安定させることができました。

「材料を 2D に閉じ込めることで、非常に興味深い特性や、バルクの同等物が極端な条件下でのみ示す特性につながる可能性があるようです」と彼は続けます。 「私たちの研究が、興味深い特性を持つ新しい材料を明らかにするのに役立つことを願っています。 しかし、私たちのより大きな目標は、特に私たちの体内のような非常に複雑な条件にさらされている場合に、水を理解することです。」

ユニバーシティ カレッジ ロンドン、ナポリ フェデリコ 2 世大学、北京大学、東北大学 (仙台) の研究者を含むチームは、実際の実験でシミュレートしたフェーズを観察したいと考えています。 「グラフェンのようなもの以外の XNUMXD 材料も研究しています。これらのシステムは原理的には実験室で合成して研究できるからです」と Kapil 氏は明らかにします。 「したがって、実験との XNUMX 対 XNUMX の比較が可能になるはずです。指を交差させてください。」

現在の作業の詳細は 自然.